光纤型细胞因子实时传感装置及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种光纤型细胞因子实时传感装置及其制备方法。

背景技术

如何及时发现病人病情突然加重，避免或减少轻症患者发展为重症或危重症病人，及时进行有效治疗，成为当前全球防疫抗疫救治工作重点之一。

如何及早判断轻症病人病情是否会恶化，根据国家卫生健康委员会最新发布的《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第七版）》，新增了重型、危重型临床预警指标：包括成人外周血淋巴细胞进行性下降；外周血炎症因子如白介素6（IL-6）、C反应蛋白（CRP）进行性上升；乳酸进行性升高；肺内病变在短期内迅速进展。“细胞因子风暴”是指由感染等原因引起机体迅速大量分泌多种细胞因子，相比传统指标，细胞因子IL-2R、IL-6在预测COVID-19的严重程度和预后方面更具优势。2008年，暨南大学的肖平课题组提出采用流式细胞术微球阵列法检测IL-6、IL-10和TNF水平；2020年，来自瑞士的Roche罗氏诊断公司实现基于电化学发光技术的IL-6检测，用于帮助识别可能产生严重炎症反应的COVID-19高风险患者。

目前针对COVID-19患者细胞因子风暴的检测主要存在以下问题：1. 人工操作量大，需要专业人士进行操作；2.价格昂贵，效率较低，通量小，检测手段也比较复杂，需要提供专业防护级别的实验室，难以在医疗机构中得到广泛应用；3.步骤繁琐，耗时长，需要对病人取样，无法实现实时监测，难以及时诊断COVID-19患者是否由轻症发展为重症或危重症，无法提供及时的后续治疗。因此，发展出一种能够在床边对病人血液内细胞因子丰度进行实时监控，特别是能够及早发现或提前预测轻转重症病人的传感装置，显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种光纤型细胞因子实时传感装置及其制备方法。由于光纤表面修饰了高度可抗非特异性吸附的自组装单分子膜，当光纤传感探头滞留在人体的血管内，血清蛋白无法吸附到光纤表面，因此可以长期放置于血管内。当COVID-19患者由轻症发展为重症或危重症时，患者血液内的细胞因子IL-2R、IL-6等的数量发生激增，当该光纤传感探头接触到细胞因子后，光纤传感探头表面上固定的生物识别物将与细胞因子发生特异性结合。这种特异性结合，将引起该光纤传感探头表面的折射率发生变化，从而使反射光谱的特征波长发生漂移，实现对COVID-19患者体内的细胞因子风暴的实时监测，相比于现有的细胞因子检测技术，具有快速、准确、可靠、成本低、可实时监测、操作性强等优点。

一种光纤型细胞因子实时传感装置，包括光源、传输光纤、光纤环形器、对环境折射率变化敏感的光纤传感探头、信号解调仪；

光源经过第一传输光纤进入光纤环形器，光纤环形器通过第二传输光纤连接光纤传感探头，通过第三传输光纤连接信号解调仪；

所述的光纤传感探头包括光纤传感结构；所述的光纤传感探头的尾部设有反射部分；所述的光纤传感探头用于传感血液环境折射率变化；

所述的光纤传感探头设有聚合物薄膜层，用于减少和防止非特异性吸附；

聚合物薄膜层表面设有生物识别物，用于特异性识别和结合待测细胞因子；

所述的信号解调仪用于解调反射光谱的特征波长发生的漂移。

所述的光纤传感结构包括马赫曽德干涉结构、锥形光纤结构或侧边抛磨D型光纤结构；

所述的反射部分包括金属反射层或者光纤布拉格光栅。

所述的光纤传感探头进一步设有增强传感器灵敏度的纳米材料层，所述的聚合物薄膜层位于纳米材料层外表。

所述的光纤传感探头包埋于注射针头，或者位于体外循环的血液中。

所述聚合物薄膜为聚乙二醇单分子膜。

所述纳米材料层为金、银、铝、氮化硅或ITO。

所述生物识别物为生物抗体、生物酶或者核酸适配体。

一种根据所述的光纤型细胞因子实时传感装置的制备方法，

采用熔接、拉锥、腐蚀或抛磨，制作所述的光纤传感结构；

采用溅射、蒸镀、电化学生长技术或者分子自组装技术在光纤传感结构的表面镀上增强传感器灵敏度的纳米材料层；

采用化学键结合或静电吸附在聚合物薄膜表面结合特定的生物识别物。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：（1）本发明创新性地将基于靶标抓捕的细胞因子检测方法与光纤传感结构相结合，利用光纤良好的生物兼容性和无毒的特性，提供了一种滞留型、快速、准确、可靠、成本低、可实时监测、操作性强的患者体内细胞因子水平检测手段，特别具有滞留型的特点，具有较强的实用性；（2）所提出的光纤传感探头具有特殊的聚合物薄膜，该聚合物薄膜有两个作用：一方面，防止光纤传感探头在全血的复杂环境中被非待测目标物污染，从而使光纤传感探头失效，聚合物薄膜是该光纤传感探头能长时间滞留在人体内的关键因素，同时也是传感装置实现实时监测体内细胞因子水平的关键因素；另一方面，防止非特异性吸附对传感器检测结果造成的误差，提高该传感装置的准确度和可信度；（3）本发明提出的传感装置结构简单，制作成本低，易于批量化工业生产。

附图说明

图1是本发明所提出的一种光纤型细胞因子实时传感装置的针头携带光纤式检测示意图；

图2是本发明所提出一种光纤型细胞因子实时传感装置的负压血瓶式检测示意图。

图3是光纤传感探头的结构示意图；

图中，光源1、第一传输光纤2、光纤环形器3、第二传输光纤4、光纤传感探头5、注射针头6、第三传输光纤7、信号解调仪8、人体9、导管10、抽气管11、负压血瓶12、光纤传感结构13、反射部分14、纳米材料层15、聚合物薄膜层16、生物识别物17、待测细胞因子18。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1-3所示，一种光纤型细胞因子实时传感装置，包括光源1、传输光纤、光纤环形器3、对环境折射率变化敏感的光纤传感探头5、信号解调仪8；

光源经过第一传输光纤2进入光纤环形器，光纤环形器3通过第二传输光纤4连接光纤传感探头5，通过第三传输光纤7连接信号解调仪8；

所述的光纤传感探头5包括光纤传感结构13；所述的光纤传感探头5的尾部设有反射部分14；所述的光纤传感探头5用于传感血液环境折射率变化；

所述的光纤传感探头5设有聚合物薄膜层16，用于减少和防止非特异性吸附；

聚合物薄膜层16表面设有生物识别物17，用于特异性识别和结合待测细胞因子18；

所述的信号解调仪8用于解调反射光谱的特征波长发生的漂移。

所述的光纤传感结构13包括马赫曽德干涉结构、锥形光纤结构或侧边抛磨D型光纤结构；

所述的反射部分14包括金属反射层或者光纤布拉格光栅。

所述的光纤传感探头5进一步设有增强传感器灵敏度的纳米材料层15，所述的聚合物薄膜层16位于纳米材料层外表。光纤传感器的灵敏度取决于表面倏逝场的能量密度，倏逝场的能量密度越大，环境折射率变化对光的传播影响越大。通过增加银纳米薄层或者银纳米球等纳米材料层，激发表面等离子体共振现象，进一步增强光纤传感探头表面倏逝场的能量密度，从而增强光纤传感器的灵敏度。

所述的光纤传感探头5包埋于注射针头（图1），或者位于体外循环的血液中（图2）。

所述聚合物薄膜16为聚乙二醇单分子膜。

所述纳米材料层15为金、银、铝、氮化硅或ITO。

所述生物识别物17为生物抗体、生物酶或者核酸适配体。

采用熔接、拉锥、腐蚀或抛磨，制作所述的光纤传感结构13；

采用溅射、蒸镀、电化学生长技术或者分子自组装技术在光纤传感结构13的表面镀上增强传感器灵敏度的纳米材料层15；

采用化学键结合或静电吸附在聚合物薄膜16表面结合特定的生物识别物17。

如图3所示，当COVID-19患者处于轻症状态时，血液内的细胞因子18水平较低，不会引起信号的很大波动，在人体全血的复杂环境中，存在各种各样的生物分子，光纤传感结构13上的聚合物薄膜16能防止非待测目标物吸附在表面，保证传感装置的准确度和可信度，使该光纤传感探头5能长时间滞留在患者的全血环境中且保持长时间的有效性。纳米材料层15的作用是增强光纤传感结构13对外界环境折射率变化的灵敏度。当COVID-19患者由轻症发展为重症或危重症时，患者血液内的细胞因子18的数量将发生激增，当光纤传感探头接触到细胞因子18后，表面上固定的生物识别物17将与细胞因子18发生特异性结合。这种特异性结合，将引起该光纤传感探头5表面的折射率发生变化，从而反射光谱的特征波长发生漂移，该信号可用于实现对COVID-19患者体内的细胞因子18的实时监测。

实施例1

如图1所示，光源1经过第一传输光纤2进入光纤环形器3，沿第二传输光纤4进入光纤传感探头5，该光纤传感探头5包埋在注射针头6内并且远离插入端，避免在插入人体9的过程中破坏光纤传感探头5的完整性，注射针头6及其内部包埋的光纤传感探头5共同滞留在人体9的血管内，携带信息的反射信号经过第二传输光纤4进入光纤环形器3，携带信息的反射信号经过第三传输光纤7到达信号解调仪8，从而实现对患者体内细胞因子水平的实时监测。

实施例2

如图2所示，光源1经过第一传输光纤2进入光纤环形器3，沿第二传输光纤4进入光纤传感探头5，该光纤传感探头5放置在负压血瓶12中，注射针头6滞留在人体静脉9内，通过负压血瓶12内的抽气管11抽取气体，降低负压血瓶12的气压，使血液从注射针头6，通过导管10进入负压血瓶12，与负压血瓶12中的光纤传感探头5接触并被实时检测，经过光纤传感探头5后，携带信息的反射信号经过第二传输光纤4进入光纤环形器3，携带信息的反射信号经过第三传输光纤7到达信号解调仪8，从而实现对患者体内细胞因子水平的实时监测。

实施例3

一种光纤型细胞因子实时传感装置的制备方法，包括以下步骤：

1）制作对环境折射率变化敏感的光纤传感结构13，对于本领域技术人员来说，利用现有技术可以设计多种实现方案，采用熔接、拉锥、腐蚀和抛磨等技术，制作例如马赫曽德干涉结构、锥形光纤结构和侧边抛磨D型光纤结构等等；

2）在光纤传感结构13的尾部制作反射部分14，反射部分14包括但不限于金属反射层或者光纤布拉格光栅等结构，在步骤1）得到的结构的基础上，利用现有技术可以设计多种实现方案，采用溅射、蒸镀或者电化学生长技术在光纤传感结构13的尾部制作金属反射层，或者采用相位掩模法、直接写入法或者聚焦离子束写入法制作光纤布拉格光栅；

3）在光纤传感结构13的表面镀上增强传感器灵敏度的纳米材料层15，利用现有技术可以设计多种实现方案，采用溅射、蒸镀、电化学生长技术或者分子自组装技术在光纤传感结构13的表面镀上增强传感器灵敏度的纳米材料层15（如果灵敏度足够，纳米材料层15可以省略）；

4）采用分子自组装或者旋涂在光纤传感结构13或者纳米材料层15表面涂覆聚合物薄膜16，防止非待测目标物吸附在传感器表面，从而影响传感器的准确度和可信度，甚至造成传感器失效；

5）在聚合物薄膜16表面结合特定的生物识别物17，选择特定的生物识别物17，采用化学键结合或静电吸附在聚合物薄膜16表面结合特定的生物识别物17。

上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。